JP2019517414A - 電動自転車の電動モータを制御する制御方法及び装置 - Google Patents

電動自転車の電動モータを制御する制御方法及び装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、変速装置(14)の投入された変速比に依存して、電動自転車(10)の電動モータ(11)を制御する制御方法及び当該制御方法を実施する制御装置(16)並びに当該制御装置(16)を備えた電動自転車(10)に関する。電動自転車の電動モータ(11)のためのこの制御方法は、自転車ライダのペダリングトルクを検出するステップと、変速装置(14)の投入された変速比を検出するステップとを少なくとも含む。その他に、この制御方法は、電動モータのトルクを発生させるために、電動自転車の駆動のための電動モータ(11)を、検出されたペダリングトルクと、検出された変速比とに依存して、駆動制御する。それにより、自転車ライダは、電動自転車の駆動の際に、投入された変速比に依存して、電動モータ(11)によって支援される。

Description

本発明は、電動自転車の電動モータを制御する制御方法及び当該制御方法を実施する制御装置並びに当該制御装置を備えた電動自転車に関する。
背景技術
独国特許出願公開第102010028658号明細書(DE102010028658A1)には、電動自転車が記載されており、ここでは、電動モータが、当該電動自転車の駆動のためのトルクを発生させる。モータトルクを制御するステップは、上記文献においては、自転車ライダ(自転車に乗る人)のペダリングトルクに依存して行われる。その他に、少なくとも1つの動作パラメータ実際値に依存した、電動自転車の電子制御可能な変速装置のシフトが開示されている。動作パラメータ実際値は、例えば、自転車ライダのペダリングトルク又はペダリング周波数を含み得る。
独国特許出願公開第102010028658号明細書
発明の開示
本発明は、変速装置の投入された変速比に依存して、電動自転車の電動モータを制御する制御方法及び当該制御方法を実施する制御装置並びに当該制御装置を備えた電動自転車に関する。
本発明に係る制御方法は、自転車ライダのペダリングトルクを検出するステップと、変速装置の投入された変速比を検出するステップとを少なくとも含む。検出されたペダリングトルクと、検出された変速比とに依存して、電動モータを制御するステップにより、電動自転車を駆動するためのトルクが発生させられる。これにより、自転車ライダにとって快適な走行時のモータ制御が実現される。
本発明の好ましい実施形態においては、この制御方法は、変速装置の検出された変速比と、直前に検出された変速比とを比較するステップを含む。これらの変速比の変化が検出された場合には、モータトルクを制御するステップが行われる。モータトルクは、ここでは、自転車ライダの一定のペダリングトルクの想定のもとで、電動自転車の一定の総出力を実現するために、変速比が増加した場合には増加させられる。また、モータトルクは、シフト時に変速比が低減した場合には低減させられる。それにより、シフト時に、自転車ライダのペダリングトルクを一定に維持することが可能になる。好ましい実施形態は、シフト時に、非常に快適な走行感覚が生じるという利点を有する。
好ましくは、この制御方法は、自転車ライダの現在のペダリング周波数を検出するステップを含む。モータトルクを制御するステップは、付加的に、検出されたペダリング周波数に依存して実施される。これにより、モータトルクを制御するステップは、自転車ライダのペダリング周波数に適合化させることができる。その他に、自転車ライダのペダリングトルクとペダリング周波数との積は、自転車ライダの能力を表す。従って、この実施形態においては、モータトルクを制御するステップは、自転車ライダの能力に依存して行うことができる。このことは、自転車ライダにとってより快適なモータトルク制御の利点を有する。
本発明のさらなる実施形態においては、モータトルクを制御するステップは、検出されたペダリング周波数を閾値と比較するステップの後で行われる。特に、ペダリング周波数が低い場合の第1の閾値と、ペダリング周波数が高い場合の第2の閾値とが想定されている。第1の閾値は、変速装置のより小さな変速比への間近なシフトを表す。第1の閾値に達した場合又はそれを超えた場合には、モータトルクが低減させられる。第2の閾値は、変速装置のより大きな変速比への間近なシフトを表す。第2の閾値に達した場合又はそれを超えた場合には、モータトルクが増加させられる。従って、ペダリング周波数を、第1の閾値及び第2の閾値と比較するステップにより、変速装置の変速比の間近なシフトが識別される。変速比のシフトの前にモータトルクを適合化することにより、シフト時の電動モータのトルク変動を最小限に抑制することができる。同時に、モータトルクを制御するステップにより、変速装置のシフトがさらに起こり易くなる。これにより、自転車ライダの走行特性に合わせたモータトルクを制御するステップがシフト時に生じる。
好ましくは、モータトルクを制御するステップは、恒常的に行われる。それにより、モータトルクの変動が回避され、これにより、好ましくは、自転車ライダにとって快適なパワーアシストが生じる。
本発明のさらなる発展形態においては、検出されたペダリング周波数を、少なくとも1つのさらなる閾値と比較するステップが行われ、ここでは、特に、第3の閾値と第4の閾値とが想定されている。第3の閾値に達した場合又はそれを超えた場合には、より低い変速比へ電子制御可能な変速装置をシフトさせるステップが実施される。第4の閾値に達した場合又はそれを超えた場合には、より高い変速比へ電子制御可能な変速装置をシフトさせるステップが行われる。変速装置を自動的にシフトさせるステップにより、シフト時に典型的に発生するトルク変動を最小限に抑制することができ、さらにシフトタイミングを最適化することができる。これにより、非常に快適な走行感覚が生じる。
好ましくは、電子制御可能な変速装置をシフトさせるステップは、電動モータのトルクを制御するステップの後で行われる。それにより、電動モータのトルクを適合化するステップが、変速装置をシフトさせるステップの前に行われ、これによって、シフト時のトルク変動が最小限に抑制され、走行特性に合わせたモータ制御が実現される。
本発明に係る制御装置は、本発明に係る方法を実施するように構成されている。この制御装置は、少なくとも1つの演算ユニットを有している。この演算ユニットは、自転車ライダのペダリングトルクを表すパラメータを検出する。その他に、変速装置の投入された変速比を表すパラメータを検出する。この演算ユニットは、検出されたペダリングトルク及び検出された変速比に依存して、電動モータのための制御信号を生成する。本発明に係る制御装置は、変速装置のシフト時の特に快適な走行感覚のためにモータトルクを制御する。
さらなる実施形態においては、演算ユニットは、自転車ライダのペダリング周波数を表すパラメータを検出する。演算ユニットは、電動モータのための制御信号を、付加的に、検出されたペダリング周波数に依存して生成する。このことは、自転車ライダの走行特性へのトルク制御の最適化された適合化の利点を有する。
好ましい発展形態においては、制御装置の演算ユニットは、検出されたペダリングトルク及び/又は検出されたペダリング周波数に依存して、電子制御可能な変速装置のためのさらなる制御信号を生成する。それにより、この制御装置は、変速装置をシフトさせるステップを引き継ぎ、自転車ライダは、例えば交通状況により一層集中することができるという利点が生じる。
好ましくは、他の変速比へシフトさせるステップは、さらなる制御信号により、モータトルクを制御するステップに依存して行われる。トルクを制御するステップと、変速装置をシフトさせるステップとを結合することにより、自転車ライダにとって、非常に恒常的でかつ滑らかなトルク曲線を実現することができる。
本発明に係る電動自転車は、電動自転車の駆動の際に自転車ライダをパワーアシストする少なくとも1つの電動モータを含んでいる。その他に、自転車ライダのペダリングトルクを検出する第1のセンサと、変速装置の投入された変速比を検出する第2のセンサとが電動自転車に配置されている。電動自転車は、検出されたペダリングトルクと、検出された変速比とに依存して電動モータを制御する制御装置を有する。本発明に係る電動自転車は、変速比のシフトの際の快適な走行感覚を有利に実現する。
代替的な実施形態においては、電動自転車は、電子制御可能な変速装置を有する。制御装置は、この実施形態においては、ペダリングトルク及び/又はペダリング周波数に依存して電子制御可能な変速装置を駆動制御する。変速比の自動シフトは、サイクリング又は交通状況に、より良好に集中し得ることを自転車ライダに可能にさせ、これによって、より安全なサイクリングとより快適な走行感覚とが生じる。
以下においては、本発明を、好ましい実施形態及び添付の図面に基づいて説明する。
本発明に係る制御方法を実施するための電動自転車。 電動モータを駆動制御する本発明に係る制御方法のためのフローチャート。 変速装置の変速比変更時における駆動制御による制御方法のためのフローチャート。 電子制御可能な変速装置のシフトによる制御方法のためのフローチャート。 本発明に係る制御方法を実施するための制御装置。
実施例
図1には、電動自転車10が示されている。この電動自転車10は、蓄電池と電動モータ11とを備えている。電動モータ11は、クランクシャフト上の中央モータとして構成されていてもよいし、又は、代替的に、前輪若しくは後輪のハブ内に配置されていてもよい。その他に、電動自転車10は、変速比を変更するための変速装置14、即ち、例えばハブギヤ又はチェーンギヤを備えている。代替的に、無段変速装置14が設けられていてもよい。変速装置14をシフトさせるステップは、好ましくは、ハンドルにおけるシフトレバー18を用いて実施される。制御装置16は、電動モータ11を駆動制御する。制御装置16は、図1に示されているように、好ましくはハンドル19に、又は、代替的に、蓄電池若しくは電動モータ11に配置されていてもよい。クランクシャフトにおけるペダリングトルクMFahrerの検出は、好ましくは第1のセンサ12によって行われる。変速装置14の投入された変速比は、第2のセンサ15によって合目的的に検出される。この第2のセンサ15は、例えば変速装置14に、又は、変速装置14のシフトレバー18に配置されていてもよい。ペダリング周波数Kの検出は、クランクシャフト、クランク若しくはペダルにおいて、又は、それらの近傍において、任意の第3のセンサ17を用いて行われる。
自転車のチェーンギヤ及びハブギヤは、多くの場合には、離散的な変速比iを有しており、この場合、ギヤの変速段は、変速装置の構造タイプと製造業者に依存している。例えば、クランクシャフトにおける53/39のチェーンリングの組み合わせと、後輪ハブにおける11乃至21の歯を有するスプロケットとを有するチェーンギヤの変速比は、1.86乃至4.82の間の離散的な変速段にある。3段乃至8段のハブギヤ、及び、無段変速装置も、上述したチェーンギヤに類似の変速比を有する。従って、自転車の車輪は、i=2の低い変速比の場合、例えば自転車ライダのペダリング周波数の2倍の回転数で回転する。
自転車の速度vは、一般に、変速装置14の投入された変速比i、ペダリング周波数K及び車輪外周Uの積として導出することができる。このことは、一般に、自転車が積極的に駆動されている限り、即ち、空転状態や制動状態が存在しない限り有効である。例えば、変速比i=2のもとで、ペダリング周波数K=80rpm及び車輪外周U=約2.1m(28インチの競技用タイヤ)の条件による自転車ライダのペダリングによれば、速度v=約20km/hが達成され、これについては、以下の式(2)、
v=K・i・U (2)
を参照されたい。
自転車ライダのペダリング出力PFahrerは、変速比をシフトさせる時点において、ほぼ一定であると想定することができる。このペダリング出力PFahrerは、ペダリング周波数Kと自転車ライダのペダリングトルクMFahrerとの積として記述することができ、これについては、以下の式(3)、
Fahrer=MFahrer・K (3)
を参照されたい。
例えば、走行区間上の傾斜路において、ペダリングトルクMFahrerを低減させるためには、自転車ライダは、変速装置14をより低い変速比iにシフトし、その際同時に、ペダリング周波数Kは高くなる。シフトさせる際に制動されることはないので、シフトした直後の時点においては、自転車の速度vは、同じままである(v=v)。ペダリング周波数Kは、以下の式(4)、
=v⇒K=K・(i/i) (4)
に従って、変速比iに依存して、即ち、例えば変速装置の変速段に依存して、離散的に変化する。
変速比をシフトさせる時点において一定であるペダリング出力の場合、ペダリングトルクMFahrer,2の、変速比i及びi並びにペダリングトルクMFahrer,1への依存性は、以下の式(5)、
Fahrer,2=MFahrer,1・(i/i) (5)
から得られる。
電動自転車の電動モータ11の制御は、従来技術において典型的には、自転車ライダのペダリングトルクMFahrer又はペダリング周波数Kに依存して行われる。例えば、駆動制御は、ペダリングトルクMFahrerとアシスト比αとに線形に依存して行われる。アシスト比αは、電動モータのトルクMMotorと自転車ライダのペダリングトルクMFahrerとの商であり、これについては、以下の式(6)、
α=MMotor/MFahrer (6)
を参照されたい。
従って、変速比をiからiにシフトさせる場合、ペダリングトルクMFahrerは、離散的に変化する(式(5)参照)。従って、シフトさせる際に一定のアシスト比αを伴う駆動制御により、電動モータ11のトルクMMotorも、同様に離散的に変化する。
電動自転車10の場合、総出力PElektrofahrradは、自転車ライダのペダリング出力PFahrerと、モータ出力PMotorとの和によって表される。この場合、モータ出力PMotorは、電動モータ11のトルクMMotorと、角速度ωとの積として記述することができる。角速度ωは、自転車ライダにとってのペダリング周波数に相当する。これらについては、以下の式(7)、
Elektrofahrrad=PFahrer+PMotor
= MFahrer・K+MMotor・ω (7)
が挙げられる。
電動モータ11の角速度ω及び自転車ライダのペダリング周波数Kは、電動自転車10において中央モータに結び付けられている。なぜなら、両者間に固定の変速比cが存在するからである。それゆえ、代数的簡略化を用いて、以下の式(8)、
Electrofahrrad=MFahrer・K・(1+α・c) (8)
が得られる。
従って、中央モータを備えた電動自転車の総出力PElektrofahrradは、変速比をシフトさせるときにも一定のアシスト比αによって同様に一定である。なぜなら、自転車ライダのペダリングトルクMFahrerと、変速装置をシフトさせる際のペダリング周波数Kとの積は、上述したように、一定であると想定しているからである(式(3)及び(8)参照)。
図2aには、電動自転車10の電動モータ11を制御する本発明に係る制御方法20の可能なフローチャートが示されている。ステップ21においては、自転車ライダのペダリングトルクMFahrerが検出される。さらなるステップ22においては、変速装置14の投入された変速比が検出される。さらなるステップ26においては、電動モータ11が、検出されたペダリングトルクと、検出された変速比とに依存して駆動制御される。電動モータ11を制御するステップにより、電動自転車を駆動するトルクMMotorが発生させられる。本発明に係る方法は、連続的に又は繰り返し実行することができる。
ステップ22の後の任意のステップ24においては、自転車ライダのペダリング周波数を検出することができる。この実施形態においては、電動モータ11が、ステップ26において、付加的に、検出されたペダリング周波数に依存して駆動制御される。
図2bの代替的フローチャートにおいては、検出された変速比iを、直前に検出された変速比iと比較するためのさらなるステップ23が示されている。現在の検出された変速比iが、その前に検出された変速比iと等しい場合には、変速比iの変化は識別されず、モータトルクMMotorの適合化は行われない。ステップ26におけるモータトルクMMotorの適合化は、変化した変速比iが識別された後においてのみ行われる。図2bのフローチャートによる本発明の方法は、連続的に又は繰り返し実行することができる。
図2bのフローチャートによる方法の発展形態においては、自転車ライダの一定のペダリングトルクMFahrerの前提のもとで、電動自転車10の一定の総出力Pを実現するために、ステップ26においてモータトルクMMotorの適合化が行われる。電動自転車10の総出力Pは、モータ出力PMotorと自転車ライダの能力PFahrerとの和を含む。この方法なしでの自転車ライダに必要とされるシフト時のペダリングトルクMFahrerの適合化は、モータトルクMMotorの適合化によって補償される。シフト時の自転車ライダの一定のペダリングトルクMFahrerの想定から、本発明のこの実施形態においては、シフト時に自転車ライダによってペダリング周波数Kのみが変速装置14の新しい変速比iに適合化される。モータトルクMMotorを制御するステップは、ここでは、一定でないアシスト比に依存して行われる。シフトさせた後のアシスト比αは、式(9)に従って、シフトによって投入された変速比iと、直前に投入された変速比iと、直前に使用されたアシスト比αとに依存する。従って、本発明のこの実施形態においては、変速比iをシフトさせた後でステップ26において、モータトルクMMotorの変更が行われる。この場合、アシスト比αは、より高い変速比へシフトさせた場合には増加させられ、より低い変速比へシフトさせた場合には低減させられる。
Fahrer,1・(1+α)・K=MFahrer,1・(1+α)・K
⇒α=(1+α)・(i/i)−1 (9)
このことは、例えば、α=1という元のアシスト比のもとで、i=2の変速比のシフト時に、i=2.5へシフトさせた後においては、α=1.5という新たなアシスト比が結果として生じることを意味する。従って、電動モータ11のトルクMMotorは、この例においては、シフト直後に50%増加する。所要のペダリング周波数Kは、式(3)に従って20%低減する。自転車ライダは、この例においては、本発明に係る方法の上述した発展形態において説明したように、シフト時のペダリングトルクMFahrerを一定に維持することができる。
図2cのフローチャートにおいては、本発明のさらなる特に好ましい実施形態が示されている。この実施形態においては、モータトルクMMotorを制御するステップの前に、ペダリング周波数Kを検出するステップ24が実施される。その他に、ペダリング周波数Kを検出するステップの後の、かつ、モータトルクMMotorを制御するステップの前のステップ25においては、ペダリング周波数Kが4つの閾値と比較される。ペダリング周波数が第1の閾値Sと第2の閾値Sとの間にあるならば、モータトルクMMotorの適合化は行われない。検出されたペダリング周波数Kが、第1の閾値S又は第2の閾値Sに達したか又はそれらを超えたならば、ステップ26において、モータトルクMMotorを制御するステップが、本発明に係る方法に従って行われ、この場合、この制御は、付加的に、ペダリング周波数Kに依存して行うことができる。ペダリング周波数Kが、第3の閾値S又は第4の閾値Sに達したか又はそれらを超えたならば、ステップ26において、モータトルクMMotorを制御するステップが行われ、その後のステップ27において、電子制御可能な変速装置14を他の変速比iへシフトさせるステップが行われる。図2cのフローチャートに従った本発明に係る方法は、連続的に又は繰り返し実行することができる。
図3には、本発明に係る制御装置16が示されている。この制御装置16は、少なくとも1つの演算ユニット32を有する。この演算ユニット32は、ペダリングトルクMFahrerを表すパラメータと、投入された変速比iを表すパラメータとを検出する。その他に、この演算ユニット32は、モータトルクMMotorを適合化する電動モータ11のための制御信号を生成する。制御装置は、複数のパラメータを検出するために受信ユニット31を有し、センサ信号を出力するために出力ユニット33を有することができる。任意付加的に演算ユニット32は、さらにペダリング周波数Kを表すパラメータを検出する。検出されたこれらのパラメータは、例えば、第1のセンサ12、第2のセンサ15及び/又は第3のセンサ17のセンサパラメータを表すことができる。

Claims (12)

  1. 電動自転車(10)の電動モータ(11)のための制御方法であって、
    ・自転車ライダのペダリングトルク(MFahrer)を検出するステップ(21)と、
    ・変速装置(14)の投入された変速比(i)を検出するステップ(22)と、
    を少なくとも含む制御方法において、
    ・前記電動自転車(10)を駆動するためのトルク(MMotor)を発生させるために、前記検出されたペダリングトルク(MFahrer)と、前記検出された変速比(i)とに依存して、前記電動モータ(11)を制御するステップ(26)が行われることを特徴とする、制御方法。
  2. ・前記変速装置(14)の前記検出された変速比(i)と、直前に検出された変速比(i)とを比較するステップ(23)が実施され、
    前記変速比の変化が検出された場合には、
    ・前記制御するステップ(26)は、前記電動自転車(10)の一定の総出力(PElektrofahrrad)を実現するために、付加的に、前記変速比の変化に依存して前記トルク(MMotor)を増減させる、請求項1に記載の制御方法。
  3. ・前記自転車ライダの現在のペダリング周波数(K)を検出するステップ(24)が行われ、
    ・前記制御するステップ(26)は、付加的に、前記検出されたペダリング周波数(K)に依存して前記トルク(MMotor)を制御する、請求項1又は2に記載の制御方法。
  4. ・前記検出されたペダリング周波数(K)を、第1の閾値(S1)及び第2の閾値(S2)と比較するステップ(25)が行われ、
    ・前記第1の閾値(S1)に達した場合又はそれを超えた場合には、前記制御するステップ(26)は、前記電動モータ(11)の前記トルク(MMotor)を低減させ、
    ・前記第2の閾値(S2)に達した場合又はそれを超えた場合には、前記制御するステップ(26)は、前記電動モータ(11)の前記トルク(MMotor)を増加させる、請求項3に記載の制御方法。
  5. 前記制御するステップ(26)は、前記トルク(MMotor)を恒常的に制御する、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の制御方法。
  6. ・前記検出されたペダリング周波数(K)を、第3の閾値(S3)及び第4の閾値(S4)と比較するステップ(25)が行われ、
    ・前記第3の閾値(S3)に達した場合又はそれを超えた場合には、より低い変速比へ電子制御可能な前記変速装置(14)をシフトさせるステップ(27)が行われ、
    ・前記第4の閾値(S4)に達した場合又はそれを超えた場合には、より高い変速比へ電子制御可能な前記変速装置(14)をシフトさせるステップ(27)が行われる、請求項3乃至5のいずれか一項に記載の制御方法。
  7. 前記変速装置(14)をシフトさせる前記ステップ(27)は、前記電動モータ(11)の前記トルク(MMotor)を制御するステップ(26)の後で行われる、請求項6に記載の制御方法。
  8. 請求項1乃至7のいずれか一項に記載の制御方法を実施するための制御装置(16)であって、
    前記制御装置(16)は、少なくとも1つの演算ユニット(32)を有しており、
    前記演算ユニット(32)は、
    ・自転車ライダのペダリングトルク(MFahrer)を表すパラメータを検出し、
    ・変速装置(14)の投入された変速比(i)を表すパラメータを検出し、
    ・前記検出されたペダリングトルク(MFahrer)及び前記検出された変速比(i)に依存して、電動モータ(11)のための制御信号を生成する、
    制御装置(16)。
  9. 前記演算ユニット(32)は、
    ・前記自転車ライダのペダリング周波数(K)を表すパラメータを検出し、
    ・前記電動モータ(11)のための制御信号を、付加的に、前記検出されたペダリング周波数(K)に依存して生成する、請求項8に記載の制御装置。
  10. 前記演算ユニット(32)は、前記検出されたペダリングトルク(MFahrer)及び/又は前記検出されたペダリング周波数(K)に依存して、電子制御可能な変速装置(14)のためのさらなる制御信号を生成し、前記電動モータ(11)のトルク(MMotor)を制御するステップ(26)に依存して、他の変速比(i)へシフトさせるステップ(27)が行われる、請求項8又は9に記載の制御装置。
  11. 電動自転車であって、
    前記電動自転車は、少なくとも以下のコンポーネント、即ち、
    ・前記電動自転車(10)を駆動する電動モータ(11)と、
    ・自転車ライダのペダリングトルク(MFahrer)を検出する第1のセンサ(12)と、
    ・変速装置(14)の投入された変速比(i)を検出する第2のセンサ(15)と、
    を含む電動自転車において、
    ・前記検出されたペダリングトルク(MFahrer)と、前記検出された変速比(iaktuell)とに依存して、前記電動モータ(11)を制御するステップ(26)を行うための請求項8乃至10のいずれか一項に記載の制御装置(16)が配置されていることを特徴とする、電動自転車。
  12. 電子制御可能な変速装置(14)を含み、前記制御装置(16)は、前記電子制御可能な変速装置(14)を、前記ペダリングトルク(MFahrer)及び/又はペダリング周波数(K)に依存して駆動制御する、請求項11に記載の電動自転車。
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